Citologia e istologia - Appunti

Corso di citologia ed istologia

Unità di misura fondamentali

• Lunghezza: m, mm (micron), nm (nanometro), Å (Ångström)
• Peso: g, mg, ng, pg, μg

Cellula: il livello minimo di vita

Solo nel diciassettesimo secolo, con il progredire della tecnologia ottica, iniziò lo studio dell'infinitamente grande e piccolo. Capostipite della scuola è Robert Hook nel 1665, che con il primo microscopio studiò il sughero; paragonò la struttura del sughero alle 'celle del monastero' = cellule.

Contemporaneamente Marcello Malpighi e nello stesso periodo Antoni Van Leeuwenhoek nel 1671 confermò le osservazioni riuscendo a perfezionare le lenti delle parti ottiche, chiamando le unità osservate utricoli e sacculi, ingrandendo fino a 270 volte.

Teoria cellulare

1. Gli esseri viventi sono costituiti da cellule che sono le unità fondamentali di funzione e organizzazione. La teoria cellulare è stata verificata negli anni, da Schleiden (1836, vegetali) e Swan (animali), e nei primi anni del Novecento anche il "neurone" entra a far parte della teoria.
2. Tutte le cellule, benché autonome, derivano da altre cellule. No generazione spontanea.
3. Tutte le cellule derivano da un progenitore comune.

Livelli di organizzazione della sostanza vivente

Gene – DNA – cromosoma – nucleo – cellula – tessuto – organo – apparato o sistema – individuo – ambiente. Si va dal più piccolo livello di organizzazione al più grande!

Caratteristiche di una sostanza vivente

• Metabolismo: insieme di reazioni chimiche che ci permettono di vivere (produrre proteine).
• Specificità di organizzazione: costruzione di proteine specifiche dovuta alla specificità della cellula nell'organismo.
• Accrescimento: accrescimento costante nel corpo (accrescimento cellulare) anche se cellule non possono crescere all'infinito.
• Divisione (per mitosi).
• eccitabilità O irritabilità: cellula in grado di rispondere ad uno stimolo esterno.
• Movimento: irritabilità implica movimento per sottrarsi da un impulso.
• Adattabilità all'ambiente: ci adattiamo all'ambiente in cui viviamo.

Ipotesi della comparsa della vita sulla terra

Tutti derivano da un progenitore comune circa 4,5 miliardi di anni fa. Svante Arrhenius all'inizio del '900: La vita è componente fondamentale dell'universo ed è sempre esistita come l'universo. Prevede forme che migrano nello spazio.

Alexander Oparin nel 1936 ipotizzò la presenza di un'atmosfera riducente che con gli oceani, entrando in soluzione, ha portato alla formazione di molecole complesse che hanno dato via alle molecole più complesse: coacervanti. La sua era solo una teoria.

Urey nel 1946 (atmosfera riducente) afferma che l'atmosfera riducente è costituita da:

• N= azoto
• H₂ = idrogeno
• CH₄ = metano
• NH₃ = ammoniaca
• CO= monossido di carbonio
• CO₂ = anidride carbonica

Nel 1953 Miller (allora studente di chimica) dimostrò, grazie al suo esperimento, che attraverso un'atmosfera riducente si possono creare elementi organici. L'acqua che stillò dopo il ciclo era ricca di composti organici tra cui amminoacidi con cui si costruiscono le proteine.

Sidney Fox nel 1969 (microsfere) affermò che scaldando, senza acqua, una mistura di amminoacidi ottenne degli aggregati macromolecolari a cui diede il nome di proteinoidi. Una soluzione di proteinoidi riscaldata a 120-200°C e raffreddata lentamente forma vescicole: le microsfere.

Prime forme di vita

Fossile costituito da lamine di selce impilate e concentriche = STROMATOLITI. Sembra il risultato del metabolismo di colonie batteriche filamentose, esse possono trovarsi in alcune zone dell'Australia e della California. Esse sono il risultato dell'azione biologica di cianobatteri fotosintetizzanti.

Evoluzione cellulare

Procarioti: la vita ha iniziato con queste cellule.

1. 3,5 miliardi di anni fa i primi in assoluto ad esistere erano gli eterotrofi anaerobi (vivere in un ambiente privo di ossigeno implica essere eterotrofi).
2. 1,5 miliardi di anni fa troviamo i procarioti autotrofi. Essi utilizzano l'energia solare e la CO₂ per produrre glucosio e ossigeno, anche se poco all'inizio a causa della profondità a cui si trovavano nel mare il quale scherma i raggi.
3. Infine troviamo gli eterotrofi aerobici dove abbiamo il processo di respirazione cellulare.

Eucarioti: con compartimenti interni.

1. Protisti = unicellulari.
2. Metazoi-Metafiti = pluricellulari.

Vantaggi dell'organizzazione pluricellulare

• Vita più lunga per possibilità di riparare danni che avvengono nelle cellule.
• Riproduzione perfezionata: forte specializzazione nell'apparato riproduttivo e produzione di cellule germinali.
• Notevole variabilità di forme, dimensioni e modi di vita.
• Notevole efficacia funzionale per tutto l'organismo (differenziamento cellulare).

"L'uomo è comparso un minuto prima della mezzanotte."

Composizione chimica della cellula

% dei principali elementi chimici della crosta terrestre:

• Ossigeno
• Silicio
• Carbonio: costituente della cellula
• Alluminio
• Idrogeno
• Ferro: 98,5%
• Azoto
• Calcio
• Sodio
• Potassio
• Magnesio

Composizione chimica di un vivente

Acqua 75–85% (allo stato liquido). Sali 1% (dissociati in ioni). Lipidi 2-3%. Carboidrati 1%. Proteine 10-20% (macromolecole). Acidi nucleici 1-1,5% (macromolecole).

Composti inorganici

Acqua (H₂O): Peso molecolare 18. Solvente naturale degli ioni minerali (sali). Mezzo disperdente dei sistemi colloidali cellulari (= subproteine). Libera o di riempimento= 60%. Legata o di idratazione = 40% (acqua connessa a macromolecole).

Elevato calore specifico. Elevata tensione superficiale. Elevata costante dialettica (dipolo). Legame idrogeno (debole).

Quali sono gli effetti della sua natura polare? Potere di coesione, alta tensione superficiale, calore specifico.

Gli ioni (Sali)

1. Regolano l'equilibrio osmotico.
2. Regolano l'equilibrio acido-base (ph).

Equilibrio osmotico:

Esempio: Soluzione ipotonica: il globulo rosso passa a soluzione con concentrazione inferiore, scoppia. Soluzione ipertonica: il globulo rosso si raggrinzisce attraverso la membrana cellulare permeabile. Soluzione isotonica: il globulo rosso non subisce variazioni.

Equilibrio acido-base (PH)

Definizione: è Log in base 10 del reciproco della concentrazione molare degli ioni H⁺. PH = -Log [1/H⁺]. PH neutro = Concentrato H⁺ nell'acqua pura a 25°C è 10 alla -7. PH = Log [1/10 alla -7] = 7

Sali più comuni nella cellula:

• Cloruri: NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂
• Bicarbonati: NaHCO₃, KHCO₃
• Fosfati: NaHPO₄, K₂HPO₄, Ca(H₂PO₄)₂, Mg(H₂PO₄)₂
• Solfati: Na₂SO₄, K₂SO₄

Ca⁺⁺: contrazione muscolare, secrezione, ecc. Na⁺, K⁺: potenziale di membrana – impulso nervoso. H₂PO₄^-, HPO₄^-: ATP

Composti organici

Glucidi, Carboidrati o Zuccheri - composti ternari (C O H).

• Lipidi - composti ternari (C O H).
• Proteine - composti quaternari (C O H N), macromolecole composte da amminoacidi.
• Acidi Nucleici - composti quaternari.

Glucosio (C₆H₁₂O₆), Ribosio, CH₂OH, C=O, OH, H, CH₂OH, C=OH, H, C=OH, OH, C-H, H, C-O

Glicosaminoglicani (GAG): Tessuto connettivo: osso, derma, cartilagine, cornea. È un polimero di amminozuccheri e zuccheri acidi, è inoltre la componente fondamentale della matrice extracellulare.

Lipidi

1. Lipidi non idrolizzabili = acidi grassi – prostaglandine
2. Lipidi semplici = grassi naturali – glicidi – trigliceridi
3. Steroidi e Steroli
4. Lipidi complessi

Formule chimiche di due acidi grassi:

Acido stearico (grasso maiale, acido grasso saturo) CH₃[CH₂]₁₆COOH

Acido oleico (olio d’oliva, acido grasso insaturo) CH₃[CH₂]₇CH=CH[CH₂]₇COOH. In grado di detossificare l’organismo.

Prostaglandine CH(CH₂)₃COOH. Esempio: acido arachidonico.

Sono una classe di modulatori dell’attività cellulare così come lo sono gli ormoni. Furono scoperte nel 1930 studiando alcune molecole presenti nello sperma. Esse sono molecole lipidiche sintetizzate a partire dall’acido arachidonico che si ripiega ad anello ad un’estremità. Esistono vari tipi di prostaglandine con diverse funzioni e sintetizzato da diverse categorie di cellule: Coagulazione sangue, Contrazione muscolatura liscia, Fenomeni infiammatori, Attività di alcuni ormoni.

Lipidi semplici

CH₂ – OH, HO OC – (CH₂)₁₄ – CH₃ (acido palmitico). CH – OH, HO OC – (CH₂)₇ – CH=CH – (CH₂)₇ – CH₂ (acido oleico). CH₂ – OH, HO OC – (CH₂)₁₆ – CH₃ (acido stearico).

Glicerina dove (OH) è il radicale alcolico OH (gruppo alcolico) viene esterificato. I grassi normali, in particolare gli acidi grassi, non vanno d’accordo con l’acqua.

Steroidi e Steroli

CICLOPENTANOPERIDROFENANTRENE: Se al carbonio in posizione 3 si lega ad un radicale –OH si ottiene uno STEROLO mentre se al carbonio in posizione 17 si lega un acido grasso si ottiene uno STEROIDE.

Lipidi grassi (vanno sempre in coppia)

Essi sono indispensabili per costruire la membrana della cellula (es fosfolipidi: 2 acidi grassi, 1 gruppo fosfato, 1 molecola di glicerolo). Fosfolipidi = molecola polare nella quale varia solo la parte finale.

Proteine (essenziali per economia cellulare)

Possono essere di due tipi: Enzimatiche: per catalizzare reazioni chimiche nella cellula. Strutturali: per struttura cellula.

A cosa servono le proteine:

• Controllano la permeabilità di membrana
• Regolano la concentrazione dei metaboliti
• Riconoscono e legano in modo non covalente altre biomolecole
• Responsabile del movimento cellulare
• Controllano funzione dei geni

Esse sono costituite da: 20 amminoacidi diversi (Diverse combinazioni). Se Autotrofo gli amminoacidi. Se eterotrofo deve introdurli tramite la dieta (es carne o soia). Ci sono 8 amminoacidi essenziali che devo introdurre per forza con la dieta, gli altri possono essere sintetizzati.

Struttura di un amminoacido

R (catena laterale), (gruppo amminico) NH₂ - C - COOH (gruppo carbossilico), H (idrogeno). Unendo più amminoacidi si ottiene una catena polipeptidica dove il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico del secondo amminoacido; questo viene chiamato: LEGAME PEPTIDICO O CARBOAMINICO. Ciò avviene attraverso una reazione di condensazione (+ H₂O = si elimina una molecola d’acqua).

R R

NH₂ - C - COOH + H - N - C - COOH

H - H₂O H

Le proteine si dissociano in relazione al PH - ottengo dunque vari risultati (ph in cui metto proteina). È stato importante per studiare la cellula tramite scariche elettriche dato che esse hanno un carattere elettrico. Tutte le proteine hanno un PH ISOELETTRICO ovvero con una carica netta = 0; la proteina non migra! Basta dunque scoprire il ph giusto della proteina per farla poi migrare verso uno dei poli (anodo e catodo).

Tramite una tecnica chiamata elettroforesi o separazione tramite stratificazione su colonna, serve a separare le proteine e dunque studiare la successione degli amminoacidi. IMP!!! La prima proteina studiata è stata: l’insulina.

Perché si studia la successione degli amminoacidi? Perché solo una proteina con giusta sequenza è corretta! Es: EMOGLOBINA nell’uomo è formata da 2 catene = 121 amminoacidi α, 2 catene = 146 amminoacidi β. Basta che io cambi un solo amminoacido nella catena: es acido glutamminico sostituito dalla valina porta a: ANEMIA FALCIFORME.

Struttura delle proteine

• Struttura primaria: sequenza lineare degli amminoacidi uniti uni agli altri da legami carboaminici. Nei siti dell’organizzazione proteica.
• Struttura secondaria: (ripiego quella primaria) Ad elica = asse proteico con andamento a spirale destrorsa. Al centro del cilindro si dipongono i gruppi carboaminici. La struttura è mantenuta da ponti ad idrogeno che si instaurano tra i vari radicali - CO – NH che si susseguono nella molecola. A foglietto = tipico delle proteine fibrose.
• Struttura terziaria: tutte le proteine hanno quantomeno una struttura terziaria che si acquisisce tramite un processo di maturazione in un'altra sede. Essa, comunque, è una struttura secondaria che si ripiega e si avvolge costituendo una proteina globulare. Questa struttura è mantenuta dalle interazioni tra i vari radicali degli amminoacidi.
• Struttura quaternaria: prendendo 2 o più proteine globulari e associandole insieme (es emoglobina globulare + globulare).

La proteina per funzionare deve avere una determinata struttura morfologica – la ottengo per interazione tra proteine con struttura terziaria.

Associazione glucidi e proteine

Glicosaminoglicani (GAG): Ottengo delle glicoproteine; esse sono comuni nella cellula e fondamentali nella matrice extracellulare, non sono liberi GAG ma sono in associazione (es determinazione gruppo sanguigno) keratan e conodrotin solfato.

Protoglicani proteine LINK. Acido ialuronico: quando costruisco protoglicani le proteine LINK sono degli step di controllo per costruire una struttura complessa.

Acidi nucleici

Sono 2: DNA e RNA. Essi sono localizzati negli eucarioti: DNA nel nucleo, RNA nel nucleo e citoplasma. Negli eucarioti i mitocondri e i cloroplasti hanno un loro particolare DNA e RNA.

Per costruire gli acidi nucleici servono:

• Ribosio: 1° “ingrediente”
• Desossiribosio
• Basi azotate: (1 anello!!!) Piramidine: citosina, uracile (RNA), timina (DNA), (2 anelli!!!) Purine: adenina, guanina 2° “ingrediente”
• Gruppo fosfato: 3° “ingrediente”

Per formare il DNA o RNA devo avere già dei costituenti di manipolazione; il procedimento è: (perché poi devo unire i nucleotidi) BASE AZOTATA + PENTOSO ottengo NUCLEOSIDE (ciò avviene a livello del C1 del pentoso) + ACIDO FOSFORICO (lego acido fosforico al C5 del nucleoside) ottengo NUCLEOTIDE il quale C3 si lega all’acido fosforico del nucleotide successivo. Avrò l’estremo della catena che sarà con un C3 e un C5: 3I 5I.

Nel 1953 Watson e Crick hanno realizzato un modello di DNA a doppia elica (grazie a diffrazione a raggi x).

1 elica va in direzione 3I 5I sono antiparalleli con basi azotate affacciate e radicali fosforici esterni. Grazie alla diffrazione a raggi x si è scoperto che la distanza tra due nucleotidi è = 0,34 nm, il passo = 3,4 nm e infine lo spessore costante = 2 nm (Wilkinson).

Da ciò devo sapere quale base azotata mettere per mantenere costante lo spessore. Ogni nucleotide è perpendicolare alla catena polinucleotidica. I nucleotidi formano i pioli di una scala a chiocciola grazie al LEGAME AD IDROGENO. L’appaiamento delle basi è altamente specifico. Molecole di DNA ha spessore costante (2 nm). Numero dei legami ad idrogeno che tengono unite le due basi. A una base purinica si deve sempre affiancare una base piramidinica. Equimolarità adenina – timina e citosina – guanina (Chargaff) A=T; C=G; T=A; G=C. Qualsiasi sia la sequenza delle basi di un filamento polinucleotidico, nel secondo filamento appaiato ed antiparallelo la sequenza delle basi sarà sempre complementare.

Cosa serve il DNA?

Per duplicazione e per metabolismo (cellula) con modello semiconservativo: filamento si apre e serve da stampo per il nuovo filamento. Per trascrizione utilizzo soltanto filamento 3I 5I.

RNA (si monta come DNA)

È a filamento singolo e ne esistono di tre tipi:

• mRNA: serve per trasferimento delle informazione geniche dal menoma al citoplasma per la localizzazione degli amminoacidi nella sintesi proteica.
• rRNA: forma i ribosomi associandosi a proteine.
• tRNA o sRNA: trasferisce amminoacidi sul ribosoma durante la sintesi proteica (configurazione tridimensionale).

Schema riassuntivo